具有相邻的超材料结构的光学组件 |
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| 申请号 | CN202311423466.8 | 申请日 | 2023-10-30 | 公开(公告)号 | CN118057224A | 公开(公告)日 | 2024-05-21 |
| 申请人 | 格芯(美国)集成电路科技有限公司; | 发明人 | 卞宇生; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及具有相邻的超材料结构的光学组件，提供光学组件(例如偏振分束旋转器)的结构以及形成此类结构的方法。该结构包括在衬底上方沿垂直方向设置的 波导 芯，以及邻近该波导芯沿横向方向设置的超材料结构。该超材料结构包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种结构，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 具有相邻的超材料结构的光学组件技术领域背景技术[0002] 光子芯片用于许多应用及系统中，包括但不限于数据通信系统及数据计算系统。光子芯片将光学组件与电子组件集成于统一的平台中。除其它因素以外，布局面积、成本以及操作开销可通过在同一芯片上集成两种类型的组件来减小。 [0003] 偏振分束旋转器是在光子芯片中常见的一种光学组件，其组合光分束器(optical splitter)与偏振旋转器(polarization rotator)。偏振分束旋转器可经配置以接收给定偏振态(例如，基本横磁(TM0)偏振)的光学信号作为输入，并输出不同的偏振态(例如，基本横电(TE0)偏振)，以及以期望的耦合比分离所接收的光学信号。不幸的是，传统的偏振分束旋转器可能具有大的装置占用空间，且可能呈现高于期望的光损失。 [0004] 需要用于光学组件(例如偏振分束旋转器)的改进的结构以及形成此类结构的方法。 发明内容[0005] 在本发明的一个实施例中，一种结构包括在衬底上方沿垂直方向设置的波导芯，以及邻近该波导芯沿横向方向设置的超材料结构。该超材料结构包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。 [0006] 在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成在衬底上方沿垂直方向设置的波导芯，以及形成邻近该波导芯沿横向方向设置的超材料结构。该超材料结构包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。附图说明 [0007] 包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。 [0008] 图1显示依据本发明的实施例处于工艺方法的初始制造阶段的结构的顶视图。 [0009] 图2显示大体沿图1中的线2‑2所作的该结构的剖视图。 [0010] 图3显示处于图2之后的制造阶段的该结构的剖视图。 [0011] 图4显示处于图3之后的制造阶段的该结构的顶视图。 [0012] 图5显示大体沿图4中的线5‑5所作的该结构的剖视图。 [0013] 图6显示处于图5之后的制造阶段的该结构的剖视图。 [0014] 图7显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。 具体实施方式[0015] 请参照图1、2并依据本发明的实施例，用于偏振旋转分束器的结构10包括设置于介电层16及半导体衬底18上及上方的波导芯12及波导芯14。在一个实施例中，介电层16可由介电材料组成，例如二氧化硅，且半导体衬底18可由半导体材料组成，例如单晶硅。在一个实施例中，介电层16可为绝缘体上硅衬底的埋置氧化物层，且介电层16可将波导芯12、14与半导体衬底18隔开。 [0016] 在一个实施例中，波导芯12、14可由折射率大于二氧化硅的折射率的材料组成。在一个实施例中，波导芯12、14可由半导体材料组成，例如单晶硅或多晶硅。在一个替代实施例中，波导芯12、14可由介电材料组成，例如氮化硅、氮氧化硅，或氮化铝。在替代实施例中，可使用其它材料(例如聚合物或III‑V族化合物半导体)形成波导芯12、14。 [0017] 在一个实施例中，可通过利用光刻及蚀刻工艺对包括材料的层进行图案化来形成波导芯12、14。在一个实施例中，可通过光刻工艺在该层上方形成蚀刻掩膜，并可利用蚀刻工艺蚀刻及移除沉积层的未掩蔽部分。沉积层的掩蔽部分可确定波导芯12、14的图案化形状。在一个实施例中，可通过图案化绝缘体上硅衬底的装置层的半导体材料(例如，单晶硅)来形成波导芯12、14。在一个实施例中，可通过图案化由材料(例如，多晶硅)组成的沉积层来形成波导芯12、14。在一个替代实施例中，板层可与波导芯12及/或波导芯14的下方部分连接。该板层可在图案化波导芯12、14时形成，且该板层(设置于介电层16上)可具有小于波导芯12、14的厚度的厚度。 [0018] 波导芯12包括锥形段20、耦合段22，以及通过一组弯曲26与耦合段22连接的输出段24。波导芯12的输出段24可连接到与结构10相关联的光子芯片上的下游光学组件。波导芯12的段20、22可沿纵轴25排列。 [0019] 波导芯14包括邻近波导芯12的耦合段22沿横向方向设置的耦合段28、旋转段30，以及与旋转段30连接的输出段32。波导芯14的耦合段28可由弯曲终止。波导芯12的弯曲26增加波导芯12、14之间的间隔，以使在波导芯12的输出段24与旋转段30之间的光耦合可忽略不计。波导芯14的耦合段28及旋转段30可分别沿其相应长度的至少其中部分呈锥形。波导芯14的段28、30可沿纵轴29排列。波导芯14的输出段32可连接到该光子芯片上的下游光学组件。 [0020] 请参照图3，其中，类似的附图标记表示图2中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯12、14上方形成介电层34。波导芯12、14嵌埋于介电层34(其可被沉积并在沉积之后平坦化)中，因为介电层34厚于波导芯12、14的高度。可在介电层34上方形成介电层35。介电层34、35可由折射率小于构成波导芯12、14的材料的折射率的介电材料组成，例如二氧化硅。 [0021] 可在介电层35中图案化一系列沟槽36、38、40。沟槽36可随后用以形成波导芯，沟槽38可用以形成包含于一个超材料结构中的一组元件，且沟槽40可用以形成包含于另一个超材料结构中的一组元件。沟槽36可在沟槽38与沟槽40之间沿横向方向设置。沟槽36、38、40可完全穿过介电层35到达介电层34。各沟槽38、40包括邻近介电层34的一对下方角落。沟槽36设置于波导芯14上方，且沟槽36在沟槽38与沟槽40之间沿横向方向设置。可增加沟槽 38的数目，以增加随后形成的元件的数目。可增加沟槽40的数目，以增加随后形成的元件的数目。在一个实施例中，沟槽38的数目可等于沟槽40的数目。 [0022] 请参照图4、5，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且在下一制造阶段，分别在介电层34中的沟槽36、38、40(图3)中形成波导芯44、一组元件46，以及一组元件48。可在与沟槽36类似的沟槽(未显示)中形成包括锥形段41及锥形段43的波导芯42。波导芯 42、44及元件46、48可由折射率大于二氧化硅的折射率的介电材料组成，例如氮化硅。在一个替代实施例中，波导芯42、44及元件46、48可由氮化铝或氮氧化硅组成。在一个实施例中，波导芯42、44及元件46、48可通过在图案化介电层35上方沉积一层其构成材料并通过光刻及蚀刻工艺对沉积层进行图案化来形成。在图案化期间采用的光刻形成的蚀刻掩膜可掩蔽并保护位于沟槽36中的该沉积层的部分，从而形成波导芯44，以及掩蔽并保护该沉积层的另一部分，从而形成波导芯42。在一个实施例中，元件46及元件48可由蚀刻沟槽38、40中的该沉积层的未掩蔽部分而产生。在一个实施例中，元件46可形成于邻近介电层34的沟槽38的下方角落中，且元件48可形成于邻近介电层34的沟槽40的下方角落中。沟槽38的宽度及相邻沟槽38之间的间距可确定元件46相对于波导芯12以及相对于彼此的位置。沟槽40的宽度及相邻沟槽40之间的间距可确定元件48相对于波导芯14及波导芯44的位置。 [0023] 波导芯42的锥形段43可与波导芯12的锥形段20重叠。介电层34的部分设置于锥形段43与锥形段20之间。锥形段43与锥形段20的重叠可使光能够从波导芯44向下传输至波导芯12。 [0024] 波导芯44可包括与波导芯14的耦合段28重叠的锥形段50，以及与波导芯14的旋转段30重叠的旋转段52、54。介电层34的部分设置于锥形段50与耦合段28之间，且介电层34的部分设置于旋转段52、54与旋转段30之间。锥形段50与耦合段28的重叠可提升从波导芯12的耦合段22至波导芯14的耦合段28的光耦合的效率。旋转段52可形成角度，以随着与锥形段50的距离增加而减少与旋转段30的重叠，且旋转段54可形成角度，以随着与锥形段50的距离增加而增加与旋转段30的重叠。波导芯44的旋转段52、54与波导芯14的旋转段30的重叠可促进在波导芯14中传播的传输光的偏振的旋转。 [0025] 元件46(具有并列(juxtaposed)(也就是，并排(side‑by‑side))布置)由细长的脊(也就是，长大于宽的条带)构成，且由于该并列布置，间隙G1将相邻元件46隔开，以定义栅状结构。一些间隙G1由保留于沟槽38之间的图案化介电层35的介电材料填充。元件46的数目可通过增加在介电层35中图案化的沟槽38的数目来增加。在一个实施例中，可由于在各沟槽38的下方角落处形成成对元件46而导致形成偶数个元件46。在一个实施例中，可由于在沟槽角落处的形成所施加的约束而导致元件46具有三角形轮廓。在替代实施例中，元件46可具有不同形状的轮廓。 [0026] 各元件46可包括段56、段58，以及将段56与段58连接的弯曲60。元件46邻近波导芯12及波导芯42设置，且元件46与波导芯12具有非重叠关系。各元件46的段56邻近波导芯12的锥形段20及耦合段22，以及邻近波导芯42的段41、43设置。各元件46的段58邻近波导芯12的输出段24设置。各元件46的弯曲60邻近弯曲26设置。在一个实施例中，各元件46的段56可平行于波导芯12的锥形段20及耦合段22排列。在一个实施例中，各元件46的段58可平行于波导芯12的输出段24排列。 [0027] 元件46可具有相同或基本相同的段56、58、60，以使元件46具有匹配的布局，并使相邻元件46之间的间隙G1的尺寸均匀。各元件46的部分可具有与波导芯12匹配的形状。尤其，至少最靠近波导芯12的元件46的形状可与波导芯12的形状基本相同，以遵守与禁止区相关联的最小间距。 [0028] 在代表性实施例中，元件46彼此断开。在一个实施例中，元件46的间距及占空比可为均匀的，以定义周期性并列布置。在替代实施例中，元件46的间距及/或占空比可为变迹(apodized)(也就是，不均匀的)，以定义非周期性并列布置。 [0029] 元件48(具有并列(也就是，并排)布置)由细长的脊(也就是，长大于宽的条带)构成，且由于该并列布置，间隙G2将相邻元件48隔开，以定义栅状结构。一些间隙G2由保留于沟槽40之间的图案化介电层35的介电材料填充。元件48的数目可通过增加在介电层35中图案化的沟槽40的数目来增加。在一个实施例中，可由于在各沟槽40的下方角落处形成成对元件48而导致形成偶数个元件48。在一个实施例中，可由于在沟槽角落处的形成所施加的约束而导致元件48具有三角形轮廓。在替代实施例中，元件48可具有不同形状的轮廓。在一个实施例中，元件48的数目可等于元件46的数目。 [0030] 各元件48可包括段66、相对于段66形成角度的段68，以及相对于段68形成角度的段70。段68可将段66与段70连接。元件48邻近波导芯14及波导芯44设置，且元件48与波导芯14具有非重叠关系。各元件48的段66邻近波导芯14的耦合段28以及波导芯44的段50设置。 各元件48的段68邻近波导芯14的旋转段30的部分及波导芯44的段52设置。各元件48的段70邻近波导芯14的旋转段30的部分及波导芯44的段54设置。在一个实施例中，各元件48的段 66可平行于波导芯12的锥形段20及耦合段22排列。在一个实施例中，各元件48的段68可平行于波导芯44的段52排列，且各元件48的段70可平行于波导芯44的段54排列。 [0031] 元件48可具有相同或基本相同的段66、68、670，以使元件48具有匹配的布局，并使相邻元件48之间的间隙G2的尺寸均匀。各元件48的部分可具有与波导芯12匹配的形状。尤其，至少最靠近波导芯12的元件48的形状可与波导芯12的形状基本相同，以遵守与禁止区相关联的最小间距。 [0032] 在代表性实施例中，元件48彼此断开。在一个实施例中，元件48的间距及占空比可为均匀的，以定义周期性并列布置。在替代实施例中，元件48的间距及/或占空比可为变迹(也就是，不均匀的)，以定义非周期性并列布置。 [0033] 波导芯42的锥形段41可定义边缘耦合器，其设置于光子芯片的边缘处并邻近光源(如附图标记45所示)。光源45经配置以沿模式传播方向(如单箭头所示)向波导芯42的锥形段41提供光(例如，激光)。由该边缘耦合器接收的光可具有给定的波长、强度、模式形状，以及模式尺寸，且该边缘耦合器可在将光传输至波导芯12之前为该光提供光斑尺寸转换。在一个实施例中，光源45可为单模光纤，其设置于邻近波导芯42的锥形段41的该光子芯片的边缘处。 [0034] 该边缘耦合器可包括邻近锥形段41布置的额外波导芯，以提供多个尖端，例如三叉戟布置，锥形段41设置于一对附加波导芯之间。锥形段41可沿其长度的至少其中部分分段，以定义亚波长超材料结构，且可可选地包括叠置于该些分段上的中心肋。 [0035] 请参照图6，其中，类似的附图标记表示图5中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯42、44及元件46、48上方形成介电层62。介电层62可由折射率小于构成波导芯42、44及元件46、48的材料的折射率的介电材料组成，例如二氧化硅。波导芯42、44及元件46、48嵌埋于介电层62(其可被沉积并在沉积之后平坦化)中，因为介电层62厚于波导芯42、44及元件46、48的高度。 [0036] 元件46可以足够小的间距进行尺寸设计及定位，以定义不会辐射或反射在操作波长的光的亚波长光栅。介电层35、62的介电材料设于相邻成对的元件46之间的间隙G1中。元件46以及位于相邻元件对之间的间隙G1中的介电层35、62的介电材料可定义超材料结构，其中，构成元件46的材料与介电层35、62的介电材料相比具有较高的折射率。类似地，元件48可以足够小的间距进行尺寸设计及定位，以定义不会辐射或反射在操作波长的光的亚波长光栅。介电层35、62的介电材料设于相邻成对的元件48之间的间隙G2中。元件48以及位于相邻元件对之间的间隙G2中的介电层35、62的介电材料可定义超材料结构，其中，构成元件 48的材料与介电层35、62的介电材料相比具有较高的折射率。该些超材料结构可被视为均质材料，分别具有介于构成元件46、48的材料的折射率与构成介电层35、62的介电材料的折射率之间的有效折射率。 [0037] 波导芯12、14及波导芯42、44在包括元件46的超材料结构与包括元件48的超材料结构之间沿横向方向设置。波导芯42、44与该些超材料结构布置于同一层级中，且波导芯12、14布置于不同于该些超材料结构的层级(也就是，较低的层级)中。波导芯42、44横向偏离该些超材料结构，且波导芯12、14横向及垂直偏离该些超材料结构。 [0038] 可在介电层62的全部或部分上方形成后端工艺堆叠64。后端工艺堆叠64可包括介电层，其由介电材料组成，例如二氧化硅、氮化硅、正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate)二氧化硅，或氟化正硅酸乙酯(fluorinated‑tetraethylorthosilicate)二氧化硅。 [0039] 在使用期间，光可由波导芯42引导于光子芯片上，以输入至结构10。该光可从波导芯42的锥形段43被传输至波导芯12的锥形段20。该光的其中部分可从波导芯12的耦合段22被倏逝(evanescently)耦合至波导芯14的耦合段28。该光的其中另一部分继续在波导芯12中传播，以从输出段24中的结构10输出。在波导芯14中传播的该部分光的偏振由旋转段30以及波导芯44的重叠的旋转段52、54旋转，以在输出段32中从结构10输出。 [0040] 结构10可省略在从波导芯42的锥形段43至波导芯12的锥形段20的过渡处的光学路径中由波导芯42、44及元件46、48的材料组成的轨道，从而可减少光学损失及背反射。包括元件46、48的超材料结构可减少在结构10中传播的光的光学损失。包括元件46、48的超材料结构可通过显著增加耦合长度来特别有效地减少具有横磁偏振的光的光学损失。包括元件46、48的超材料结构可改进光学隔离，从而改进光子芯片的封装密度。例如，包括元件46的超材料结构可为相邻的波导芯72提供有效的光学隔离，以使波导芯72可更靠近该偏振旋转分束器设置，而不会引起串扰。尽管该些超材料结构可经部署以结合该偏振旋转分束器及边缘耦合器的波导芯12、14及波导芯42、44来提供低损耗收发器应用，但结构10可被部署于不同类型的光学组件中，该光学组件包括邻近该些超材料结构的元件46、48设置的一个或多个波导芯。 [0041] 请参照图7，其中，类似的附图标记表示图4中类似的特征，且依据替代实施例，波导芯42的锥形段41可相对于波导芯12的锥形段20沿横向方向偏移，如平行虚线及双箭头所示。在一个实施例中，由于该偏移布置，锥形段41可与锥形段20具有非重叠关系。 [0042] 如上所述的方法用于集成电路芯片的制造。由此产生的集成电路芯片可由制造者以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片，或者以封装形式分配。该芯片可与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，例如具有中央处理器的电脑产品或智能手机。 [0043] 本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的+/‑10％。 [0044] 本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的水平面的在该参考框架中的方向。术语“横向(lateral)”是指在该水平平面内的该参考框架中的方向。 [0045] 与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。若一个特征在直接接触或不直接接触的情况下延伸于另一个特征上方并覆盖其部分，则不同的特征可“重叠”。 [0046] 对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所揭露的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所揭露的实施例。 |
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